一种钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法。
【背景技术】
[0002] 在沿海地区混凝土结构中，混凝土内的钢筋常因氯离子的侵蚀而发生不同程度的 锈蚀，产生顺筋锈胀开裂、保护层脱落、钢筋裸露等现象。锈蚀构件钢筋截面损失、钢筋力学 性能下降、钢筋与混凝土协同工作性能降低，将直接影响结构的使用性和安全性。
[0003] 已有的评估标准认为混凝土保护层一旦开裂耐久寿命便终结。然而，大量的研宄 表明，混凝土保护层锈胀开裂初期，钢筋的锈蚀率很小，钢筋与混凝土间的黏结性能尚无明 显退化，这时的损伤累积还不足以对结构的承载力构成威胁。在实际工程的耐久性评估中， 裂缝宽度较为容易测量获取，同时又是结构设计时的一个基本参数。因而，对混凝土保护层 锈胀开裂及开裂后的裂缝宽度扩展进行研宄，在不破坏结构安全的情况下，通过外观检查 测量，根据锈胀裂缝宽度与相关因素之间的关系，合理准确地进行结构耐久寿命评估，确定 维修加固措施以及基于耐久性的结构再设计，无疑具有现实意义。
[0004] 钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂的过程相当复杂，国内外对混凝土锈胀损伤过程 的研宄主要集中在胀裂前，不少学者基于大量的试验研宄和理论分析，直接或间接给出胀 裂时钢筋截面锈蚀率的计算公式，形式各异，各有优缺点；也有学者通过非线性有限元方法 对锈胀的发展过程及其影响因素进行模拟分析，但很少给出锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率关 系式；有学者通过快速锈蚀试验直接或间接地给出了基于锈胀裂缝宽度的钢筋截面锈蚀率 计算公式。
[0005] 混凝土保护层锈胀刚开裂时，钢筋的锈蚀率很小，钢筋与混凝土间的黏结性能尚 无明显退化，这时的损伤累积还不足以对结构的承载力构成威胁。只要阻止裂缝的进一步 扩展，结构物在出现微小的裂缝后，还可以正常工作。中国建筑研宄院邸小坛提出了从胀裂 宽度、保护层厚度、钢筋直径、混凝土强度预测钢筋截面锈损率的经验公式。该公式未将裂 缝宽度作为一个独立的参数进行统计，适合于工程估算。冶金部设计院总院惠云玲通过实 验，考虑不同胀裂宽度下混凝土强度、保护层厚度、钢筋直径、钢筋位置、钢筋种类及箍筋等 参数的影响，在158个长期暴露试件破型取样实测的基础上，较早提出了强度等级在C24~ C40之间、保护层厚度在15~40mm之间的混凝土构件胀裂宽度和钢筋截面损失率的关系 式。该公式是针对我国北方室内外比较潮湿环境下的构件而提出的，形式简单，且假设钢筋 锈蚀率与锈胀裂缝宽度成线性比例关系，具有一定的局限性。Andrade通过外加电流加速 锈蚀的锈胀试验，认为在钢筋锈蚀深度小于一定值的情况下，钢筋锈损深度与胀裂宽度呈 线性比例关系，而与保护层厚度、混凝土强度等参数无关。同济大学王深通过钢筋锈胀过程 的有限元模拟分析，其计算研宄表明，胀裂宽度与钢筋深度有关且成线性关系，提出了从胀 裂宽度预测钢筋截面损失率的公式。该公式形式简单，便于工程应用，但考虑的影响因素较 少，如尚未考虑保护层厚度、钢筋位置及箍筋等因素的影响。该公式与Andrade提出的计算 公式形式相近，只是考虑的影响因素较少，公式形式还需进一步改进。交通运输部公路所毛 燕基于300多个试件，分别对不同混凝土强度、钢筋直径、保护层厚度下钢筋锈蚀率与表面 裂缝宽度的关系进行了试验研宄，通过回归的方法建立了相应的计算公式。我国《混凝土 结构耐久性评定标准》也建议了一个基于锈胀裂缝宽度的钢筋锈蚀深度计算公式。鉴于经 验公式理论依据不足，牛荻涛等在锈胀开裂前钢筋锈蚀量预测模型的基础上，基于腐蚀电 化学原理对锈胀开裂后的钢筋锈蚀进行了分析并给出了计算公式，该公式计算结果离散性 较大，且在实际工程检测中，模型参数还难以确定。后来通过对实际工程中锈胀裂缝前后钢 筋锈蚀速度的分析，建议了一种近似计算方法。除了上述计算公式之外，牛荻涛等人还应用 神经网络方法预测了钢筋锈蚀率与裂缝宽度的关系模型，但该模型应用于实际工程比较困 难。总结已有的研宄成果，对混凝土表面开裂后钢筋锈蚀率研宄的理论计算模型列于下表 中。
[0006] 表2-1混凝土表面开裂后钢筋锈蚀率理论模型比较
[0007]
【主权项】
1. 一种钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法，其特征在于，包括如下 步骤： 步骤一、基于材料力学和理论力学，得到如下公式（4-49)， f ^
其中，Erf为混凝土有效弹性模量，D为钢筋直径，Cltl为钢筋与混凝土粘结界面间混凝 土气孔环状带的厚度，v。为混凝土泊松比，C为混凝土保护层厚度，a = (D+2L)/2, b = 0+(0+2(^)/2, α为混凝土刚度折减系数，prast为锈蚀产物密度，p st为钢筋密度、以及a rast 为与锈蚀产物类型相关的系数； 步骤二、测量钢筋混凝土构件的裂缝宽度w。值，利用公式（4-49)计算得到锈蚀产物质 量Wrast(t)值，之后计算该钢筋混凝土构件的钢筋锈蚀度，以判断该钢筋混凝土构件的安全 性能。
2. 如权利要求1所述的钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法，其特征 在于，所述步骤二中，若箍筋位于该钢筋混凝土构件的角部，则根据如下公式（4-51)计算 有箍筋时钢筋锈蚀产物的质量，
其中，wMts;为根据公式（4-49)得到的锈蚀产物质量1_(〇值，E为箍筋的弹性模量， Isv为构件截面上箍筋长度，G为混凝土剪切模量，σ = 5^ = ^$ = 0.42Ε% A表示混 凝土受箍筋影响的面积，A = c. s，其中，c表示混凝土保护层厚度，s表示箍筋间距，I = (1/12) s. c3, k = 1. 2，d为箍筋直径，Asvl表示单肢箍筋的截面积，E sv为箍筋的弹性模量。
3. 如权利要求2所述的钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法，其特征
4. 如权利要求1所述的钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法，其特征 在于，所述步骤二中，若箍筋位于该钢筋混凝土构件的中部，则根据如下公式（4-52)计算 有箍筋时钢筋锈蚀产物的质量，
其中，wMtlS为根据公式（4-49)得到的锈蚀产物质量1_(〇值，E为箍筋的弹性模量， Isv为构件截面上箍筋长度，G为混凝土剪切模量，G = $^ = $^ = ()42足，A表示混 凝土受箍筋影响的面积，A = c. s，其中，c表示混凝土保护层厚度，s表示箍筋间距，I = (1/12) s. c3, k = 1. 2, d为箍筋直径，Asvl表示单肢箍筋的截面积，E sv为箍筋的弹性模量。
5. 如权利要求4所述的钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法，其特征 在于，令A = I 则有： ^ 9 h ? SV U. a J
6. 如权利要求1至5任一所述的钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方 法，其特征在于，所述步骤一中，得到公式（4-49)的具体过程包括： (1. 1)基于材料力学和理论力学，将混凝土保护层的锈胀开裂损伤影响区域简化为空 间轴对称的厚壁圆筒，则有， 混凝土保护层厚壁圆筒的内外径分别为： a = (D+2d〇)/2, b = C+(D+2d〇)/2 ； 锈蚀产物厚度ds(t)为：
(1. 2)确定钢筋混凝土构件的基本参数值，包括钢筋直径D、混凝土保护层厚度C、混凝 土抗拉强度ft、混凝土泊松比v。，联立公式（4-39)、（4-40)及（4-42)，可求得c5, (：6和α ;)
其中γ为混凝土材料常数； (1.3)利用步骤（1.2)中得到的(35，(36和α，根据公式（4-46)，得到混凝土表面开裂的 裂缝宽度w。与钢筋锈蚀产物厚度d s (t)的计算表达式；
(I. 4)联立公式（4-1)和（4-46)，得到钢筋锈蚀产物质量Wrast (t)与混凝土表面开裂宽 度w。的计算表达公式（4-49)。
7. 如权利要求6所述的钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法，其特征 在于，所述步骤（1.2)中，根据公式（4-42)得到混凝土刚度折减系数α的多组数值，然后 再利用SPSS软件进行回归计算，得到如下公式（4-47)， α =〇· 01137638X (t/365)卜2 98836253)+0· 1235655576 (R2= 0· 974) (4-47) 利用公式（4-47)和公式（4-49)计算不同龄期和不同裂缝宽度下的钢筋混凝土构件 的钢筋锈蚀率。
8. 如权利要求6所述的钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法，其特征 在于，所述步骤（1.2)中，尽Μ +化），E。代表混凝土 28天弹性模量，％,为混凝土徐变 系数。
【专利摘要】本发明公开了一种钢筋混凝土构件锈蚀开裂后钢筋锈蚀度无损检测方法，包括：基于材料力学和理论力学，得到公式(4-49)测量钢筋混凝土构件的裂缝宽度，若箍筋位于钢筋混凝土构件的角部，则根据公式(4-51)或(4-53)和(4-49)计算锈蚀产物质量，若箍筋位于钢筋混凝土构件的中部，则根据公式(4-52)或(4-54)和式(4-49)进行计算。结合公式(4-47)，可计算不同龄期、不同裂缝宽度的下锈蚀产物质量。则，根据锈蚀产物质量，计算钢筋锈蚀度，判断钢筋混凝土构件的安全性能。本发明基于材料力学和理论力学推导出钢筋锈蚀度无损检测的公式，本发明的半经验半理论模型有理论作为依据，适用范围更广泛。
【IPC分类】G01N33-20
【公开号】CN104730222
【申请号】CN201510142836
【发明人】赵尚传, 曹健
【申请人】交通运输部公路科学研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月27日